工程的熱力學(xué)和傳熱學(xué)課后問題詳解(前五章)

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案第一篇 工程熱力學(xué)第一章基本概念一.基本概念系統(tǒng)：狀態(tài)參數(shù)：熱力學(xué)平衡態(tài):溫度：熱平衡定律：溫標(biāo)：準(zhǔn)平衡過程可逆過程:循環(huán)：可逆循環(huán)：不可逆循環(huán)：、習(xí)題1 .有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到起始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？錯2 .牛頓溫標(biāo)，用符號°“表示其溫度單位 ，并規(guī)定水的冰點和沸點分別為 100°N和200°N，且線性分布。(1)試求牛頓溫標(biāo)與國際單位制中的熱力學(xué)絕對溫標(biāo)(開爾文溫標(biāo))的換算關(guān)系式；(2)絕對零度為牛頓溫標(biāo)上的多少度 ？3 .某遠洋貨輪的真空造水設(shè)備的真空度為0.0917 MPa，而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?.1013MPa，當(dāng)航行至另一海域，

2、其真空度變化為0.0874MPa，而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ψ兓癁?.097MPa。試問該真空造水設(shè)備的絕對壓力有無變化?圖4 .如圖1-1所示，一剛性絕熱容器內(nèi)盛有水，電流通過容器底部的電阻絲加熱 水。試述按下列三種方式取系統(tǒng)時，系統(tǒng)與外界交換的能量形式是什么。(1) 取水為系統(tǒng)；(2)取電阻絲、容器和水為系統(tǒng)；(3)取虛線內(nèi)空間為系統(tǒng)。(1 )不考慮水的蒸發(fā)，閉口系統(tǒng)。(2 )絕熱系統(tǒng)。注：不是封閉系統(tǒng)，有電荷的交換(3)絕熱系統(tǒng)。1-15. 判斷下列過程中那些是不可逆的，并扼要說明不可逆原因。(1) 在大氣壓力為0.1013MPa時，將兩塊0C的冰互相緩慢摩擦，使之化為0C的水。 耗散效應(yīng)(2) 在

3、大氣壓力為 0.1013MPa時，用(0 + dt) C的熱源(dt宀0)給0 C的冰加熱使之變?yōu)?0 C的水。 可逆(3) 一定質(zhì)量的空氣在不導(dǎo)熱的氣缸中被活塞緩慢地壓縮(不計摩擦)。 可逆(4) 100 C的水和15C的水混合。有限溫差熱傳遞6 .如圖1-2所示的一圓筒容器，表A的讀數(shù)為360kPa ;表B的讀數(shù)為170kPa,表示室I壓力高于 室II的壓力。大氣壓力為 760mmHg試求：(1) 真空室以及I室和II室的絕對壓力；(2) 表C的讀數(shù)；精彩文檔(3) 圓筒頂面所受的作用力。圖1-2第二章熱力學(xué)第一定律一.基本概念功：熱量：體積功：節(jié)流：.習(xí)題1.膨脹功、流動功、軸功和技術(shù)功

4、四者之間有何聯(lián)系與區(qū)別？2 .下面所寫的熱力學(xué)第一定律表達是否正確？若不正確，請更正。q = u w q = du 亠 <wg zWs3 .一活塞、氣缸組成的密閉空間，內(nèi)充50g氣體，用葉輪攪拌器攪動氣體。活塞、氣缸、攪拌器均用完全絕熱的材料制成。攪拌期間，活塞可移動以保持壓力不變，但絕對嚴密不漏氣。已測得攪 拌前氣體處于狀態(tài)-攪拌停止后處于狀態(tài) 2,如下表所示。狀態(tài)p( MPav (mi/kg )u (kJ/kg )h(kJ/kg)13.50.0071122.7547.6423.50.0191697.63164.69活塞與氣缸壁間有一些摩擦。求攪拌器上輸入的能量為多少?耗散效應(yīng)將輸入能

5、量轉(zhuǎn)化為熱量q=(u2-u1)+p(v2-v1) =h2-h14.1kg 空氣由 pi=5MPa,ti=500C,膨脹到 p2=0.5MPa,t 2=500 C,得到熱量 506kJ，對外做膨脹功 506kJ。 接著又從終態(tài)被壓縮到初態(tài)，放出熱量390kJ，試求：(1) 膨脹過程空氣熱力學(xué)能的增量；(2)壓縮過程空氣熱力學(xué)能的增量；(3)壓縮過程外界消耗了多少功？5 .一活塞氣缸裝置中的氣體經(jīng)歷了 2個過程。從狀態(tài)1到狀態(tài)2,氣體吸熱500kJ，活塞對外作功 800kJ。從狀態(tài)2到狀態(tài)3是一個定壓的壓縮過程，壓力為 p=400kPa,氣體向外散熱 450kJ。并且 已知U=2000kJ, U

6、3=3500kJ，試計算2-3過程中氣體體積的變化。備Aji=0T lnz/囲 Aj- 0, 15” =3? °C ,-10s Pa500= U2-U1+800U2=1700-450= U3-U2+400(V3-V2)V3-V2=6. 現(xiàn)有兩股溫度不同的空氣，穩(wěn)定地流過如圖精彩文檔示的設(shè)備進行絕熱混合，以形成第三股所需溫度的空氣流。各股空氣的已知參數(shù)如圖中所示。設(shè)空 氣可按理想氣體計，其焓僅是溫度的函數(shù)， 按h kj/kg=1.004T k計算，理想氣體的狀態(tài)方程為pv=RT,R=287J/(kg K)。若進出口截面處的動、位能變化可忽略，試求出口截面的空氣溫度和流速。m3=m1+m

7、2h3=h1+h2圖2-17 某氣體從初態(tài)p1=0.1MPa, V=0.3m3可逆壓縮到終態(tài)p2=0.4MPa,設(shè)壓縮過程中p=aV2，式中a為常 數(shù)。試求壓縮過程所必須消耗的功。p1=aV2p2=aV-2/ pdV=/ aV2dV=-aV2-1+aV2-18 如圖2-2所示，p-v圖上表示由三個可逆過程所組成的一個循環(huán)。1-2是絕熱過程；2-3是定壓過程；3-1是定容過程。如絕熱過程1-2中工質(zhì)比熱力學(xué)能的變化量為-50kJ/kg , p1=1.6MPa,V1=0.025m3/kg , p2=0.1MPa, V2=0.2m3/kg。(1)試問這是一個輸出凈功的循環(huán)還是消耗凈功的循環(huán)？(2)

8、計算循環(huán)的凈熱。(1) 順時針循環(huán)，輸出凈功;(2) Q=W=W12+W23+W31W12=50W23=W31=09 .某燃氣輪機裝置如圖2-3所示。已知壓氣機進口處空氣的焓h1=290kJ/kg，經(jīng)壓縮后，空氣升溫使比焓增為h2=580kJ/kg，在截面2處與燃料混合，以 w=20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，使 工質(zhì)吸入熱量q=670kJ/kg。燃燒后燃氣經(jīng)噴管絕熱膨脹到狀態(tài)3' ,h3' =800kJ/kg，流速增至w燃氣再進入動葉片，推動轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)做功。若燃氣在動葉片中熱力狀態(tài)不變，最后離開燃氣輪機速度為1UW4=100m/s。求：(1) 若空氣流量為100kg/

9、s，壓氣機消耗的功率為多少？(2) 若燃料發(fā)熱量q=43960kJ/kg，燃料消耗量為多少?(3) 燃氣在噴管出口處的流速W3是多少？(4) 燃氣渦輪(3' -4過程)的功率為多少？(5) 燃氣輪機裝置的總功率為多少？圖2-3(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=100kg/s*(h2-h1)22(3) 0.5w 3' -0.5w 2 =h3' -h22 2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w4 -w3')Ws-W1第三章熱力學(xué)第二定律一.基本概念克勞修斯說法：開爾文說法： 卡諾定理：熵流： 熵產(chǎn)： 熵增原理:二.習(xí)題1.熱力學(xué)

10、第二定律可否表述為: 等溫膨脹過程熱完全轉(zhuǎn)化為功"功可以完全變?yōu)闊幔珶岵荒芡耆優(yōu)楣Α?，為什?2 .下列說法是否正確，為什么？1）熵增大的過程為不可逆過程； 只適用于孤立系統(tǒng)2）工質(zhì)經(jīng)不可逆循環(huán)，S 0;.S =03）可逆絕熱過程為定熵過程，定熵過程就是可逆絕熱過程; 定熵過程就是工質(zhì)狀態(tài)沿可逆絕熱線變化的過程4）加熱過程，熵一定增大；放熱過程，熵一定減小。根據(jù)ds> q/T，前半句絕對正確，后半句未必，比如摩擦導(dǎo)致工質(zhì)溫度升高的放熱過程。 對于可逆過程，都正確。3 .某封閉系統(tǒng)經(jīng)歷了一不可逆過程，系統(tǒng)向外界放熱為10kJ，同時外界對系統(tǒng)作功為20kJ。1）按熱力學(xué)第一定律

11、計算系統(tǒng)熱力學(xué)能的變化量；2） 按熱力學(xué)第二定律判斷系統(tǒng)熵的變化（為正、為負、可正可負亦可為零）。4 .判斷是非（對畫，錯畫X）1） 在任何情況下，對工質(zhì)加熱，其熵必增加。（）2）在任何情況下，工質(zhì)放熱，其熵必減少。 （）3） 根據(jù)熵增原理，熵減少的過程是不可能實現(xiàn)的。（）4）卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，一切循環(huán)的熱效率都比卡諾循環(huán)的熱效率低。5） 不可逆循環(huán)的熵變化大于零。（）5 .若封閉系統(tǒng)經(jīng)歷一過程，熵增為25kJ /K從300K的恒溫?zé)嵩次鼰崮?還是不可能？（）8000kJ，此過程可逆25<=8000/300不可能6 .空氣在某壓氣機中被絕熱壓縮，壓縮前: 精彩文檔p1=0.1MPa,

12、t1=25C ;壓縮后：p2=0.6MPa, 12=240 C。實用標(biāo)準(zhǔn)文案設(shè)空氣比熱為定值，問：1)此壓縮過程是否可逆？為什么？2)壓縮1kg空氣所消耗的軸功是多少？2)若可逆，W=Cv*(240-25)7 氣體在氣缸中被壓縮，壓縮功為186kJ/kg，氣體的熱力學(xué)能變化為56kJ/kg，熵變化為-0.293kJ/(kg K)。溫度為20 C的環(huán)境可與氣體發(fā)生熱交換，試確定每壓縮1kg氣體時的熵產(chǎn)。SF=-(186-56)/(273+20)=S2-S仁SF+SG8. 設(shè)一可逆卡諾熱機工作于 1600K和300K的兩個熱源之間，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?00kJ，試求：(1)循環(huán)熱效率；(2)工質(zhì)對

13、外作的凈功；(3)工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃俊?1) 1-300/1600=13/16(2) 400*13/16=325(3) 400-325=759 .已知A B、C3個熱源的溫度分別為500K, 400K和 300K,有可逆機在這3個熱源間工作。若可逆機 從熱源A吸入3000kJ熱量，輸出凈功400kJ，試求可逆機與B, C兩熱源的換熱量，并指明方向。3000/500+QB/400+QC/300=03000+QB+QC=400QB=-3200QC=60010. 試論證如違反熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法，則必然違反開爾文說法以及違反開爾文說法必 然導(dǎo)致違反克勞修斯說法。11. 有A, B兩物體

14、，其初溫Ta>Tb,兩物體的質(zhì)量相等nm=m=m,其比熱容亦相等Ca=Cb=c，且為常數(shù)。 可逆熱機在其間工作，從 A吸熱，向B放熱，直至兩物體溫度相等時為止。(1 )試證明平衡時的溫度為Tm = .Ta Tb ; (2)求可逆熱機對外輸出的凈功。SA-SM=l nTA/TMSM-SB=l nTM/TBSA-SM= SM-SB12. 如圖3-1所示，用熱機E帶動熱泵P工作，熱機在熱源和冷源To之間工作，而熱泵則在冷源To和 另一熱源T1之間工作。已知 T1=1000K、=310K、T°=250K。如果熱機從熱源吸收熱量Q=1kJ, 而熱泵向另一熱源T1 '放出的熱量Q供

15、冬天室內(nèi)取暖用。(1) 如熱機的熱效率為t=0.50 ,熱泵的供熱系數(shù) 廬4,求Q;(2) 如熱機和熱泵均按可逆循環(huán)工作，求Q;(3) 如上述兩次計算結(jié)果均為 Q>Q,表示冷源T。中有一部分熱量傳入了溫度 T1 '的熱源，而又不消 耗(除熱機E所提供的功之外的)其他機械功，這是否違反熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法？(1) W= Q 1* q =1*0.5=0.5kJj:pQ=W*a>=4=0.5*4=2kJ1 (2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQ=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不違反，T1>T1'第四章一.基本概念理想

16、氣體：比熱容：圖3-1理想氣體的熱力性質(zhì)與過程.習(xí)題21.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式可寫成q = u w 或 q =.吐 pdv 兩者有何不同？1q=A u+w熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達，普適的表達式q=Cv*A T+/ pdv內(nèi)能等于定容比熱乘以溫度變化，適用于理想氣體；體積功等于壓力對比容的積分,適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程。所以該式適用于理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)過程2 .圖4-1所示，1-2和4-3各為定容過程，1-4和2-3各為定壓過程，試判斷 qi43與qi23哪個大?vq123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143所以3 .有兩個任意過程 1-2和1-3，

17、點2和點3在同一條絕熱線上，如圖4-2所示。試問 52與厶山3誰大誰小？又如 2和3在同一條等溫線上呢？ 2->3為絕熱膨脹過程，內(nèi)能下降。所以u2>u3。4 .討論1<n<k的多變膨脹過程中氣體溫度的變化以及氣體與外界熱傳遞的方向，并用熱力學(xué)第一 定律加以解釋。內(nèi)能增加，吸熱5.理想氣體分子量 M=16 k=1.3 ,若此氣體穩(wěn)定地流過一管道，進出管道時氣體的溫度分別為30 C和90C，試求對每公斤氣體所需的加熱量（氣體的動能和位能變化可以忽略）。R=RM/M=8314/16Cp-Cv=RCp/Cv=kq=Cp(T2-T1)40C下降到一40 C,過程中6 某理想氣體

18、在氣缸內(nèi)進行可逆絕熱膨脹，當(dāng)容積為二倍時，溫度由 氣體做了 60kJ/kg的功。若比熱為定值，試求Cp與cv的值。q= A u+w0=Cv(-40-40)+60kkp1*v = p1*(2v)p1*v=R(273+40)p2*2v=R(273-40)w=R*T1/(k-1)*(1-T2/T1)Cp=Cv+R7 .某理想氣體初溫 T1=470K,質(zhì)量為2.5kg，經(jīng)可逆定容過程， 其熱力學(xué)能變化為 AU=295.4kJ,求過程功、過程熱量以及熵的變化。設(shè)該氣體R=0.4kJ/(kg K), k=1.35,并假定比熱容為定值。Cp-Cv=RCp/Cv=kW=0, Q= U, . ：T= ：U/(2

19、.5kg*Cv),. ：S=8 在一具有可移動活塞的封閉氣缸中，儲有溫度11=45 C,表壓力pg1=10kPa的氧氣0.3mV1=0.0005m 6 6 4*10 *Vo2To=2*10 *0.0005/(273+27) 4*10 6*Vn2T n2=2*10 6*0.0005/(273+27) Voz+ V N2=0.001。在定壓下對氧氣加熱，加熱量為40kJ;再經(jīng)過多變過程膨脹到初溫45 C,壓力為18kPa。設(shè)環(huán)境大氣壓力為0.1MPa,氧氣的比熱容為定值，試求：(1)兩過程的焓變量及所作的功；(2)多變膨脹過程中氣體與外界交換的熱量。(1)過程1為定壓過程，焓變于加熱量 40kJ

20、;過程2的終了狀態(tài)和過程 1的初始狀態(tài)比較，溫度相 同，理想氣體的焓為溫度的函數(shù)，所以過程2的焓變?yōu)?40kJ 。9. 1kg空氣，初態(tài)p1=1.0MPa, t 1=500 C,在氣缸中可逆定容放熱到p2=0.5MPa,然后可逆絕熱壓縮到13=500 C,再經(jīng)可逆定溫過程回到初態(tài)。求各過程的.u, .:h, ：s及w和q各為多少？并在 p-v圖和T-s圖上畫出這3個過程。10一封閉的氣缸如圖4-3所示，有一無摩擦的絕熱活塞位于中間，兩邊分別充以氮氣和氧氣，初圖4-3態(tài)均為p1=2MPa 11=27心若氣缸總?cè)莘e為1000CR1，活塞體積忽略不計，缸壁是絕熱的，僅在氧氣一端面上可以交換熱量?，F(xiàn)向氧氣加熱使其壓力升高到4MPa試求所需熱量及終態(tài)溫度，并將過程表示在p-v圖及T-S圖上。絕熱系數(shù)k=1.411=400C，流量 mi =120kg/h ;另一股11 如圖4-4所示，兩股壓力相同的空氣流，一股的溫度為 的溫度為t2=150C，流量m2 =210kg/h ;在與外界絕熱的條件下，它們相互混合形成壓力相同的空氣流。已知比熱為定值，試計算混合氣流的溫度，并計算混合過程前后空氣的熵的變化量是增加、 減小或不變？為什么？(400+273)*120+(150+273)*210